第十章 半导体存储器.ppt

1、概述,第 十章半导体存储器,本章小结,随机存取存储器(RAM),只读存储器(ROM),顺序存取存储器(SAM),本章目标：,通过对本章的学习，读者可以具备下述能力： 1了解半导体存储器的基本结构、工作原理和 用途 2了解顺序存储器的结构和工作原理 3掌握只读存储器的类型、工作原理和特点 4掌握随机存储器的类型、工作原理和应用 5掌握用存储器实现组合逻辑函数,10.1概述,主要要求：,了解半导体存储器的作用、类型与特点。,存储器的存储媒介有多种，应用范围也非常广泛。,软磁盘,磁带,硬盘,内存条,光盘,优盘,数码相机用SM卡,一、半导体存储器的作用,存放二值数据,二、 半导体存储器的分类,按制造工

2、艺分类： 双极型：工作速度快、功耗大、价格较高。 MOS型：集成度高、功耗小、工艺简单、价格低。,10.1.1半导体存储器的特点与应用,例如计算机中的自检程序、初始化程序便是固化在 ROM 中的。计算机接通电源后，首先运行它，对计算机硬件系统进行自检和初始化，自检通过后，装入操作系统，计算机才能正常工作。,RAM 既能读出信息又能写入信息。它用于存放需经常改变的信息，断电后其数据将丢失。常用于存放临时性数据或中间结果。,例如 计算机内存就是 RAM,ROM 在工作时只能读出信息而不能写入信息。它用于存放固定不变的信息，断电后其数据不会丢失。常用于存放程序、常数、表格等。,2、按存取方式不同，半

3、导体存储器可分成只读存储器ROM、随机存取存储器RAM和顺序存取存储器SAM。,2. 存储容量及其表示,用“M”表示“1024 K”，即 1 M = 1024 K = 210 K = 220 。,1. 存储容量及其表示,指存储器中存储单元的数量,例如，一个 32 8 的 ROM，表示它有 32 个字， 字长为 8 位，存储容量是 32 8 = 256。,对于大容量的 ROM常用“K”表示“1024”，即 1 K = 1024 = 210 ；,例如，一个 64 K 8 的 ROM，表示它有 64 K 个字， 字长为 8 位，存储容量是 64 K 8 = 512 K。,一般用“字数 字长(即位数)

4、”表示,10.1.2 半导体存储器的主要技术指标,2.存取时间和存取周期,存储器的一次操作(读或写)所需要的时间。称存储器存取访问时间。,了解顺序存取存储器(SAM)的作用,了解顺序存取存储器的电路结构和组成,10.2顺序存取存储器（SAM）,主要要求：,10.2.1 先入先出的顺序存取存储器,控制电路为一个二选一数据选择器，移位寄存器的输出通过数据选择器反馈到输入端，构成循环移位寄存器，它有写入和读出两种工作方式。,时钟信号CP的周期为TC，则存储深度为N的SAM完成一次读写需要的时间为T=NTC。,写操作：数据从DI端逐位输入，从D0端输出,读操作：数据从D0输出，同时数据返回到移位寄存器

5、的输入端，实现存储数据的循环移位。,10.2.2 先入后出的顺序存取存储器,主要要求：,了解 ROM 的类型和结构，理解其工作原理。,了解集成 EPROM 的使用。,理解字、位、存储容量等概念。,10.3只读存储器,按数据写入方式不同分,10.3.1 ROM 的类型及其特点,写入的数据可电擦除，用户可以多次改写存储的数据。使用方便。,其存储数据在制造时确定，用户不能改变。用于批量大的产品。,其存储数据由用户写入。但只能写一次。,写入的数据可用紫外线擦除，用户可以多次改写存储的数据。,10.3.2 ROM 的结构和工作原理,(一) 存储矩阵,由存储单元按字 (Word)和位(Bit)构成的距阵,

6、由存储距阵、地址译码器(和输出电路)组成,存储矩阵,输出电路,芯片在制造时就把需要存储的内容用电路结构固定下来，使用时无法再改变。,二极管固定ROM,字线和位线的交叉处代表一个存储单元，有二极管表示存1，否则表示存0。,44位ROM数据表,字线与位线的交叉点即为存储单元。,每个存储单元可以存储 1 位二进制数。,当某字线被选中时，相应存储单元数据从位线 D3 D0 输出。,10 1 1,10 1 1,从位线输出的每组二进制代码称为一个字。一个字中含有的存储单元数称为字长，即字长 = 位数。,W3,1. 存储矩阵的结构与工作原理,3. 存储单元结构,2. 存储单元结构,(1) 固定 ROM 的存

7、储单元结构,(2) PROM 的存储单元结构,PROM 出厂时，全部熔丝都连通，存储单元的内容为全 1(或全 0) 。用户可借助编程工具将某些单元改写为 0 (或 1) ,这只要将需储 0(或 1)单元的熔丝烧断即可。,熔丝烧断后不可恢复，因此 PROM 只能一次编程。,(3) 可擦除 PROM 的存储单元结构,EPROM 利用编程器写入数据，用紫外线擦除数据。其集成芯片上有一个石英窗口供紫外线擦除之用。芯片写入数据后，必须用不透光胶纸将石英窗口密封，以免破坏芯片内信息。 E2PROM 可以电擦除数据，并且能擦除与写入一次完成，性能更优越。,用一个特殊的浮栅 MOS 管替代熔丝。构成EPROM

8、和EEPROM,刚才介绍了ROM中的存储距阵， 下面将学习ROM中的地址译码器。,(二)地址译码器,(二) 地址译码器,从 ROM 中读出哪个字由地址码决定。地址译码器的作用是：根据输入地址码选中相应的字线，使该字内容通过位线输出。,例如，某 ROM 有 4 位地址码，则可选择 24 = 16 个字。 设输入地址码为 1010，则字线 W10 被选中，该 字内容通过位线输出。,存储矩阵中存储单元的编址方式,适用于小容量存储器。,适用于大容量存储器。,又称单译码编址方式或单地址寻址方式,1. 单地址译码方式,一个 n 位地址码的 ROM 有 2n 个字，对应 2n 根字线，选中字线 Wi 就选中

9、了该字的所有位。,32 8 存储矩阵排成 32 行 8 列，每一行对应一个字，每一列对应 32 个字的同一位。32 个字需要 5 根地址输入线。当 A4 A0 给出一个地址信号时，便可选中相应字的所有存储单元。,例如，当 A4 A0 = 00000 时，选中字线 W0，可将 (0，0) (0，7) 这 8 个基本存储单元的内容同时读出。,基本单元为 存储单元,又称双译码编址方式或双地址寻址方式,地址码分成行地址码和列地址码两组,2. 双地址译码方式,基本单元为字单元,例如 当 A7 A0 = 00001111 时，X15 和 Y0 地址线均 为高电平，字W15 被选中，其存储内容被读出。,若采

10、用单地址译码方式，则需 256 根内部地址线。,256 字存储器需要 8 根地址线，分为 A7 A4 和 A3 A0 两组。A3 A0 送入行地址译码器，产生 16 根行地址线 ( Xi ) ； A7 A4 送入列地址译码器，产生 16 根列地址线 ( Yi ) 。存储矩阵中的某个字能否被选中，由行、列地址线共同决定。,10.3.3 、集成 EPROM 举例,27 系列 EPROM 是最常用的 EPROM，型号从 2716、2732、2764 一直到 27C040。存储容量分别为 2K 8、4K 8一直到 512K 8。下面以 Intel 2716 为例，介绍其功能及使用方法。,A10 A0

11、为地址码输入端。,D7 D0 为数据线，工作时为数据输出端，编程时为写入数据输入端。,VCC 和 GND：+5 V 工作电源和地。,VPP 为编程高电平输入端。编程时加 +25 V 电压，工作时加 +5 V 电压。,(一) 引脚图及其功能,存储容量为 2 K 字,下面将根据二极管 ROM 的 结构图加以说明 (已编程二极管 PROM 的 结构与之同理) ：,10.3.4 用 PROM 实现组合逻辑函数,1. 为什么用 PROM 能实现组合逻辑函数？,地址译码器能译出地址码的全部最小项图中 当 A1 A0 = 11 时，只有 W3 =1 ，而 W0、W1、W2 = 0， 即译出最小项 m3 ；

12、当 A1 A0 = 10 时，只有 W2 =1 ，而 W0、W1、W3 = 0， 即译出最小项 m2 ； 其余类推。,为了便于用 PROM 实现组合逻辑函数，首先需要理解 PROM 结构的习惯画法。,2. PROM 结构的习惯画法,3. 怎样用 PROM 实现组合逻辑函数？,例 试用 PROM 实现下列逻辑函数,(2) 确定存储单元内容,由函数 Y1、Y2 的标准与 - 或式知： 与 Y1 相应的存储单元中，字线 W1、W4、W5、W6 对应的存储单元应为 1；,对应 m1、m4、m5、m6,与 Y2 相应的存储单元中，字线 W3、W5、W6、W7 对应的存储单元应为 1。,(3) 画出用 P

13、ROM 实现的逻辑图,例 用PROM构成一个码型转换器，将4位二进制码B3B2B1B0转换成循环码G3G2G1G0。,二进制码转换为循环码的真值表,用PROM实现二进制码到循环码的转换,10.4 快闪存储器,快闪存储器(Flash Memory)，简称闪存。它具有EPROM的结构简单、编程可靠的优点，同时又具有E2PROM的在电路中电擦除特性，与E2PROM相比较，集成度有较大幅度的提高。,快闪存储器中的叠栅MOS管和符号,快闪存储器的存储单元,快闪存储器的两种构造形式,NAND闪存的应用主要集中在大容量闪存盘(U盘)的制造方面,NOR闪存主要用来存储程序代码等必须直接按照实际物理地址访问的信

14、息，容量在16MB以下,主要要求：,了解 RAM 的类型、结构和工作原理。,了解集成 RAM 的使用。,了解 RAM 和 ROM 的异同。,10.5 随机存取存储器,掌握 RAM 的扩展方法。,10.5.1 RAM 的结构、类型和工作原理,10.5.1 RAM 的结构、类型和工作原理,存储矩阵 将存储单元按阵列形式排列，形成存储矩阵。,地址译码器 为了区别不同的字，将存放在同一个字的存储单元编为一组，并赋予一个号码，称为地址。地址的选择是借助于地址译码器来完成的。 地址码的位数n与可寻址数N之间的关系为：N=2n。,片选与读/写控制电路（I/O电路）,RAM主要由存储矩阵、地址译码器和读/写控

15、制电路（I/O电路）三部分组成。,2561位RAM示意图,X地址译码器,Y 地址译码器,1,1,A0,A1,A2,A3,X0(行),X15,T0,T0,T15,Y0 (列) Y15,A4,A5,A6,A7,位线,行,存储矩阵,I/O电路,G1,D,G4,G5,G2,I/O,R/W,&,1,EN,16,1,列,1,16,T15,位线,16,16,1,EN,1,EN,&,G3, ,RAM 分类,DRAM 存储单元结构简单，集成度高，价格便宜，广泛地用于计算机中，但速度较慢，且需要刷新及读出放大器等外围电路。,DRAM 的存储单元是利用 MOS 管具有极高的输入电阻，在栅极电容上可暂存电荷的特点来存

16、储信息的。由于栅极电容存在漏电，因此工作时需要周期性地对存储数据进行刷新。,SRAM 存储单元结构较复杂，集成度较低，但速度快。,MOS静态存储单元,当地址码使得Xi和Yj均为高电平时，表示选中该单元，即可以对它进行读写操作。 由于数据由触发器记忆，只要不断电，信息就可以永久保存。 采用CMOS管，所以静态功耗极小。,由一个门控管T和一个存储信息的电容CS组成。 由于分布电容 C0 CS，所以位线上的读出电压信号很小，需用高灵敏度读出放大器进行放大；且每次读出后必须立即对该单元进行刷新，以保留原存信息。,动态存储单元的结构比静态存储单元简单，可达到更高的集成度；但DRAM不如SRAM使用方便，

17、且存取时间较长。,MOS动态存储单元,10.5.2 集成 RAM 举例,A0 A9 为地址码输入端。,4 个 I/O 脚为双向数据线，用于读出或写入数据。,VDD 接 +5 V。,信号与 TTL 电平兼容。,10.5.3 RAM 的扩展,位扩展,字扩展,增加地址线。,断电保护,3字位同时扩展,当存储器的字长和字数都不能满足实际应用的要求时，则需要对存储器的字和位同时扩展。,RAM的位、字同时扩展,3. 位、字同时进行扩展： 根据字和位扩展的原理，将两种方法结合便可实现，一般是先进行位扩展，然后进行字扩展。,位扩展方法如下： 1）把若干片位数相同的RAM芯片地址线共用。 2） 线共用。 3）每个

18、RAM片的I/O端并行输出。 字扩展方法如下： 1）将RAM地址共用，I/O端共用。 2） 线共用。 3）根据需要增加适当的地址线去控制,半导体存储器由许多存储单元组成，每个存储单元可存储一位二进制数 。根据存取功能的不同，半导体存储器分为只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)，两者的存储单元结构不同。ROM 属于大规模组合逻辑电路，RAM 属于大规模时序逻辑电路。,本 章 小 结,ROM 用于存放固定不变的数据，存储内容不能随意改写。工作时，只能根据地址码读出数据。断电后其数据不会丢失。ROM有固定 ROM(又称掩膜 ROM) 和可编程 ROM之分。固定 ROM 由制造商在制造芯片时，用掩膜技术向芯片写入数据，而可编程 ROM 则由用户向芯片写入数据。可编程 ROM 又分为一次可编程的 PROM 和可重复改写、重复编程的 EPR